JFE高炉喷吹废塑料和煤粉的冶炼工艺

【摘要】如果将废塑料看作碳的中间材料，那么减少CO2发生量的效果是显著的，今后将致力于扩大废塑料的使用量。

1 提高废塑料的燃烧性

 

　　固体废塑料经破碎处理和薄膜状废塑料经造粒处理后，与原来使用的煤粉相比，单位重量的比表面积小，呈致密结构。在高温下的废塑料燃烧形态被认为是表面燃烧，为提高其燃烧性，希望添加助燃剂以加快燃烧速度，煤粉和天然气的助燃效果是有效的。JFE钢铁公司通过热模型燃烧实验研究废塑料的燃烧、气化情况，用热模型实验装置模拟高炉下部的焦炭填充层，单独喷吹煤粉、甲烷（模拟天然气）、废塑料。结果表明，最高温度位置越接近喷吹位置，燃烧越快，甲烷的燃烧最快，其次是煤粉，最后是废塑料。 

　　于是首先研究废塑料与煤粉混合喷吹效果。采用热模型实验装置，改变废塑料和煤粉混合方式，一种是分别用喷枪喷吹废塑料和煤粉，另一种是在配管内混合后再喷吹。后者的燃烧、气化率比前者提高了约10%，从而可推断燃烧速度快的煤粉促进了废塑料的燃烧与气化速度。在120m/s的喷吹气流作用下，被喷吹的废塑料和煤粉粒子都加速，但是废塑料粒子的速度比煤粉的慢，因为废塑料粒子大。这可根据粒子在模拟高炉下部的实验管道内的停留时间做出判断，废塑料比煤粉的停留时间长，这对燃烧是有利的。另一方面，配管内混合后的废塑料粒子的表面附着着煤粉，煤粉的燃烧热直接提供给废塑料，促进了废塑料的燃烧、气化。此外，这种附着使得煤粉在高温下的停留时间延长，从而改善了煤粉的燃烧性。

　　再来看同时喷吹废塑料和煤粉及天然气的效果。废塑料采用造粒废塑料（平均粒径约4mm）。在吹管内插入2支喷枪，一支喷吹造粒废塑料和煤粉的混合物，另一支喷吹模拟天然气的甲烷气体。造粒废塑料和煤粉在喷枪前面的配管内进行混合。在各喷吹条件中，送风温度及风口风速是一定的。

　　目前的废塑料高炉原料化技术是使用10mm以下或经造粒处理的废塑料。粗粒废塑料的燃烧性差，但通过在高炉炉料间的空隙通道内的循环滞留燃烧，可改善燃烧、气化率。对于循环燃烧，造粒废塑料的强度是很重要的，强度越弱，造粒废塑料在输送过程或燃烧过程中越容易粉化，这成为降低燃烧、气化率的主要因素。还有，废塑料中的灰分难以渣化（熔点高达约1750℃），使得高炉内的压损上升。因此，今后为扩大废塑料的使用，得必须制造难粉化的造粒废塑料（改善强度），同时为提高燃烧、气化率，必须改进废塑料中灰分的渣化（改善透气性）。废塑料和骨料一起造粒，即所谓的复合造粒被认为是有效的改善方法。作为骨料，CaCO3受到关注，因为CaCO3和实验管道壳体是同质化的，可降低其熔点。

2 开发废塑料粉化技术

　　在近几年的高生产率（高出铁比）、低燃料比的操作下，增加风口，喷吹辅助还原剂是很重要的。作为辅助还原材，希望燃烧速度更快。粗粒废塑料由于比表面积小，燃烧速度比煤粉更慢，但可通过管道滞留燃烧得到补足。为提高废塑料的燃烧速度，必须将废塑料粉化。粉化的废塑料不能像粗粒废塑料那样循环滞留燃烧，而是在管道内一次燃烧，其燃烧、气化率依赖于燃烧速度。因此，必须将废塑料粉化到适当的粒径。因此，进行了废塑料粉化技术的开发，研究了废塑料的高炉原料化。

　　通常，粉碎单一的或混合的废塑料产生的能量使废塑料自身温度上升，发生软化熔融，很难粉化。因此，原来普遍采用冷却粉碎。但是冷却到常温，性质不同的废塑料在微细状态下熔融混合，在废塑料间的界面发生应力，通过基础实验可看到脆化现象。因此，即使在常温下，用原有的粉碎机也可粉化。

　　如果要粉化更细，从燃烧性的观点看是有利的，但从运输的角度看则要求适当的粒度。具体的粒度要求是与煤粉具有同等的燃烧性（燃烧率、燃烧速度）。与煤粉相比，同一粒径的废塑料的燃烧气化率高10%左右。因此，可推断出与煤粉具有同等燃烧性的废塑料的调和平均直径为0.2～0.4mm。

3 结束语

　　为提高粗粒、低强度造粒废塑料的燃烧、气化率，进行了如下技术开发，完成了以废塑料为对象的所有性状研究，开发出先进的废塑料再循环技术。

（1）通过和CaCO3的复合造粒，提高废塑料强度；

（2）通过和煤粉、天然气同时喷吹，改善废塑料的燃烧性；

（3）开发废塑料的粉化工艺。

如果将废塑料看作碳的中间材料，那么减少CO2发生量的效果是显著的，今后将致力于扩大废塑料的使用量。